利用分离式Hopkinson压杆技术研究浇注PBX炸药的老化性能❋

王芳芳 王 琼 于思龙 顾 妍 常 海 张林军

西安近代化学研究所(陕西西安，710065)

引言

炸药作为武器战斗部装药中的核心部件，在生产、加工、运输、储存和发射使用过程中都将经历复杂的应力状态，这些受力过程包括压缩、剪切、摩擦、黏塑性流动等，尤其在使用过程中要承受加载速率较高的动态载荷作用[1]。这些载荷可能会使炸药产生各种微裂纹、微孔洞等损伤，这些损伤一方面使炸药的力学性能劣化，并可能最终导致结构破坏；另一方面，损伤的存在会引起装药结构的强度和刚度降低，并且这些损伤在载荷、温度等的作用下进一步生长、聚合，从而影响炸药的感度、燃烧甚至爆炸性质，对炸药的可靠应用产生影响[2-3]。分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar，SHPB)技术可通过简单的约束实现对装药环境的初步模拟，进而确定材料在复杂应力状态下的应力应变响应，分析其损伤及损伤演化的规律。对PBX炸药这类脆性材料，由于破坏应变很小，精确测量SHPB试验中PBX炸药的动态力学性能参数也显得尤为重要。

目前，国内外利用SHPB技术对PBX类炸药的力学性能、损伤模式及本构关系等已开展了相关研究。屈可朋等[4]对RDX基PBX炸药进行了高应变率加载试验，给出了不同应变率范围内的力学性能；Tasker等[5]对PBXW-128炸药进行了高应变率下拉伸动态应力-应变关系的研究；卢芳云等[6]研究了PBX炸药在不同应变率下的压缩试验，分析了炸药的微观结构和响应机制，建立了本构方程；李亮亮等[7]研究了不同应变率响应条件下炸药装药安全性试验中存在的问题，介绍了SHPB工作原理以及针对炸药装药安全性工作的开展。虽然相关学者已开展了大量的SHPB技术的改进研究以及SHPB技术在PBX炸药的应用研究，但利用SHPB对高温加速老化下浇注PBX炸药在高冲击载荷下的力学性能及损伤模式的研究，还未发现有相关报道。

本文中，利用SHPB技术和扫描电镜(SEM)分析研究了HTPB/AP基浇注PBX炸药在加速老化过程中，102～103s-1冲击压缩应变率下，其动态力学性能的变化以及微观损伤模式，为HTPB/AP基浇注PBX炸药装药的安全储存提供理论依据。

1 样品

1.1 样品与仪器

HTPB/AP基浇注PBX炸药配方含HTPB固化体系、RDX、Al粉、AP等，西安近代化学研究所；AHX-1003-FB-2型热老化箱，南京理工大学机电厂；瞬态波形存储器，Nicolet公司的Odyssey x E型示波器；高温箱，101系列数显电热鼓风干燥箱；低温箱，DW-50；QUANTA600FEG型场发射扫描电子显微镜，美国FEI公司。

1.2 样品制备

采用“捏合-真空-浇注-固化”的制备工艺，试验件经原材料准备与配制、物料真空混合、真空浇注、控温固化(固化温度约60℃，固化时间约7 d)成型4个步骤制成。炸药试样尺寸：高温60℃，∅8 mm×8 mm；常温，∅8 mm ×10 mm；低温 -50℃，∅8 mm×8 mm。

2 试验

2.1 样品的高温加速老化试验

将浇注PBX炸药加工成需要的形状，装入复合铝箔袋后密封，放入油浴热老化箱中加速老化，烘箱温度为70℃，定期取样测试性能。

2.2 试验装置及方法

图1是SHPB试验系统装置，该系统主要由气压驱动装置、撞击杆、入射杆、透射杆以及数据采集设备组成。在进行动态冲击压缩试验前，要保持撞击杆、入射杆和透射杆水平放置，并与试样保持同轴心。试验时，撞击杆在高压气体的驱动下，产生入射脉冲应力波，产生的应力波沿着入射杆向前传播，并被入射杆上的应变片记录，继续传播到入射杆与试样接触面，试样在其加载作用下高速变形，同时波在试样和杆的两个接触面多次反射透射，最终叠加形成反射波和透射波。反射波反射回入射杆，并被入射杆上的应变片采集记录，透射波进入透射杆继续向前传播，被记录在透射杆的应变片上。根据一维应力波假定和均匀性假设，即可得出试样在不同应变率下的应力-应变曲线。入射杆为直径18.70 mm的铝杆，采用灵敏度系数为2.11和1.92、电阻为1 000 Ω的金属应变片，应变片距离试样端1.75 m；透射杆为直径18.04 mm的PMMA有机玻璃杆，采用灵敏度系数为110、电阻为120 Ω的半导体应变片，距离试验端0.031 5 m。

图1 SHPB装置图Fig.1 SHPB setting picture

浇注PBX炸药的波速很低，导致试件内部的应力不均匀性十分突出。为此，采用入射波整形技术[8]，在入射杆与子弹的碰撞端用∅2 mm×2 mm的橡皮泥作为整形器，以过滤加载波中的高频分量，并使加载波变宽，上升沿变缓，使试样内部的应力应变趋于均匀，并很好地实现常应变率加载，同时输出杆采用灵敏度较高的半导体应变片，提高透射波信号的信噪比。每个应变率进行3次重复试验，取重复率较好的曲线作为最终试验结果。图2和图3分别是SHPB试验的原始波形和试验波形。图3的试验波形可以看出，波形光滑，没有明显震荡，说明波形中的高频成分较少，可以实现常应变率加载。

2.3 结果与讨论

2.3.1 HTPB/AP基浇注PBX炸药在不同应变率下的应力应变响应

在SHPB试验中，完全精确地控制加载气压值和撞击杆的速度是不可能的。即使对应变应力较为敏感的材料，其应变率效应在相差数倍的量级上应力-应变曲线才会有所不同。因此，对于试验过程中可以将应变率在700～900 s-1和1 200～1 500 s-1范围内的变化看作是两个量级的同一个加载应变率来考量。以∅8 mm×8 mm的原始样炸药柱为对象，进行常温条件下SHPB试验，图4是研究790 s-1和1 470 s-1两个应变率下HTPB/AP基浇注PBX炸药的应力-应变关系。

图2 SHPB试验原始波形Fig.2 Original waveform of SHPB experiment

图3 试验波形Fig.3 Experiment waveform picture

图4 HTPB/AP基浇注PBX炸药原始样在不同应变率下的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of original specimen of HTPB/AP based casting PBX in different strain rate

从图4可知，应力-应变曲线具有3个特征段：弹性阶段、强化阶段和应变软化阶段。弹性阶段，线弹性变形，材料的损伤慢慢产生，但没有累积；强化阶段，非线性变形直至达到峰值应力，损伤累积并将不可逆；应变软化阶段，应力逐渐下降，应变增长，全曲线出现下降，此时损伤继续积累。浇注PBX炸药具有软材料特征和大变形能力，更多体现出黏结剂的黏弹性，而非炸药晶体的弹脆性，因此，在宏观上，表现为低强度、低模量及较大的临界应变。从790 s-1和1 470 s-1两个应变率下的应力幅值来看，1 470 s-1下的失效应力和失效应变均比790 s-1下的大，说明高应变率下材料的应力应变变化更显著，该浇注PBX炸药的应力应变对应变率比较敏感，具有明显的应变率效应。

2.3.2 HTPB/AP基浇注PBX炸药在不同老化时间下的应力应变响应

将HTPB/AP基浇注PBX炸药进行高温和低温条件下103应变率的SHPB试验，应力-应变曲线如图5、图6、表1和表2所示。

从图5、图6、表1和表2可知：

图5 高温条件下HTPB/AP基浇注PBX炸药老化的应力-应变曲线Fig.5 Stress-strain curve of HTPB/AP based casting PBX at high temperature

图6 低温条件下HTPB/AP基浇注PBX炸药老化的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curve of HTPB/AP based casting PBX at low temperature

1)HTPB/AP基浇注PBX炸药在高温和低温试验条件下，应力-应变曲线均经历弹性阶段、强化阶段和应变软化阶段；其中，强化阶段高应变率加载效果比较明显。

表1 高温条件下HTPB/AP基浇注PBX炸药老化的失效应力应变Tab.1 Failure stress-strain of HTPB/AP based casting PBX at high temperature

表2 低温条件下HTPB/AP基浇注PBX炸药老化的失效应力应变Tab.2 Failure stress-strain of HTPB/AP based casting PBX at low temperature

2)图5、表1说明HTPB/AP基浇注PBX炸药在高温试验条件下，达到应变软化时的应变随着老化时间的增加而减小，其可能的主要原因是，高温时，未老化炸药试样的黏结剂高分子链容易滑动，炸药内部容易出现剪切区域，炸药试样达到的失效应变增大；而老化后的试样交联密度增加，高分子链受到相对限制。因此，老化时间越长，失效应变越小。

3)图6、表2说明低温试验条件下，HTPB/AP基浇注PBX炸药在0～56 d达到应变软化时的应变是逐渐增加的，56 d以后达到应变软化时的应变基本没有发生变化。其可能的原因是在低温试验条件下，炸药试样本身具有脆性，分子链更难运动，而老化后的炸药试样因交联密度增加，强度更高，在高应变率的冲击作用下，发生失效的应变更大。此外，整体的高、低温试验条件下，在高温条件下的应力变化要大于低温条件下，具有温度效应。

4)随着老化时间的延长，HTPB/AP基浇注PBX炸药在同一个应变下的应力增加，主要是因为老化过程中，交联密度增加，炸药的强度增大，在高应变率冲击加载下，应力随炸药试样强度的增加而升高，这从应力-应变曲线的弹性阶段也可以得出，老化时间越长，其初始弹性模量越大。

2.3.3 HTPB/AP基浇注PBX炸药宏观损伤和微观损伤模式

1)浇注PBX炸药的宏观损伤模式。图7是HTPB/AP基浇注PBX炸药分别老化15 d和老化135 d时，在高温条件下、1 480 s-1应变率冲击作用后进行的宏观观察。结果表明，在高应变率下，老化15 d的试样出现宏观轴线裂纹，但仍保持一个柱状，而老化135 d的试样破坏程度更大，呈饼状，但没有发生粉碎性破坏，这主要是由于黏结剂的黏结作用所致。

图7 在1 480 s-1应变率下HTPB/AP基浇注PBX炸药试样的宏观损伤Fig.7 Macroscopic damage of HTPB/AP based casting PBX in 1480 s-1strain rate

2)浇注PBX炸药的微观损伤模式。为了确定HTPB/AP基浇注PBX炸药在不同应变率下的损伤模式，以及高低温试验条件对试样损伤的影响，采用SEM分别对未冲击原始样、780 s-1常温条件下、1 480 s-1低温条件下和1 480 s-1高温条件下的原始样和老化样进行了微观形貌的观察，结果分别如图8～图11所示。

分析微观形态可见，未冲击的HTPB/AP基浇注PBX炸药原始样，颗粒较完整，没有明显的裂纹，主炸药紧密地嵌入高分子黏结剂内。

图8 未冲击的HTPB/AP基浇注PBX炸药原始样的SEM(×1000)Fig.8 SEM picture of original sample of HTPB/AP based casting PBX unshocked(×1000)

图9 在780 s-1常温条件下HTPB/AP基浇注PBX炸药不同老化时间的SEM(×1000)Fig.9 SEM picture of different aging time of HTPB/AP based casting PBX in 780 s-1and at room temperature(×1000)

图10 在1 480 s-1高温条件下HTPB/AP基浇注PBX炸药不同老化时间的SEM(×1000)Fig.10 SEM picture of different aging time of HTPB/AP based casting PBX in 1480 s-1and at high temperature(×1000)

图11 在1 480 s-1低温条件下HTPB/AP基浇注PBX炸药不同老化时间的SEM(×1000)Fig.11 SEM picture of different aging time of HTPB/AP based casting PBX in 1480s-1and at low temperature(×1000)

从图9可以看出：在常温条件、低应变率的冲击作用下，HTPB/AP基浇注PBX炸药原始样的颗粒晶体和黏结剂之间产生了间隙，即脱黏，固体颗粒没有破碎，可以观察到颗粒拔出后留下的凹坑，但黏结剂的结构保持良好，基本完整；老化135 d的炸药试样，颗粒晶体和黏结剂脱黏严重，同时，黏结剂之间产生了部分断裂和孔洞现象。

从图10可以看出：在高温条件、高应变率加载下，原始样和老化样均发生严重的颗粒晶体和黏结剂脱黏，原始样的黏结剂结构产生孔洞现象；老化135 d的试样，黏结剂产生了明显的断裂和孔洞，晶体颗粒被“削平”成小棱形颗粒，小晶体颗粒脱黏留下许多小凹坑和孔洞，结合图7(b)的宏观破坏，表明高温、高应变率条件下，炸药试样完全宏观破碎，但因黏结剂的存在，仍能保持块状结构。

从图11可以看出：在低温、高应变率条件下，原始样的黏结剂整体结构较完整，颗粒晶体和黏结剂有部分脱黏；老化135 d的试样，其黏结剂产生严重的脆化碎裂，与颗粒晶体之间的脱黏也较严重。

综上所述，HTPB/AP基浇注PBX炸药在高应变率下的破坏程度要大于低应变率下，高温试验条件下的破坏程度要大于低温试验条件下，老化样的破坏程度要大于原始样的。总之，在冲击载荷下，HTPB/AP基浇注PBX炸药试样内部的应力增加，引起试样内部初始裂纹的扩展、汇集及贯通而形成宏观裂纹；同时宏观裂纹的端部又因为应力集中而出现新的微裂纹，甚至微裂纹区。如此反复，使得材料最后发生碎裂，而正是黏结剂的黏结作用，才使HTPB/AP基浇注PBX炸药试样保持了原有的块状结构。因此，冲击压缩时，界面脱黏和晶粒破碎两种损伤模式并存，应变率越高，晶粒破碎的作用就越明显。

3 结论

1)HTPB/AP基浇注PBX炸药在高应变率下的应力应变变化比低应变率下更显著，应力应变具有明显的应变率效应，失效应力和失效应变均随着应变率的增加而增加。

2)HTPB/AP基浇注PBX炸药在高温试验条件下，随着老化时间的延长，应变软化时的应变逐渐减小，其主要原因是高温使得分子链间容易滑动，但同时老化使得交联密度增加，导致最终老化时间越长，失效应变越小；低温试验条件下，0～56 d应变软化时应变逐渐增加，其主要原因是低温条件使得炸药脆性较大，同时交联密度增加，强度增高，在高应变率的冲击下，发生的失效应变更大。

3)随着老化时间的延长，浇注PBX炸药的交联密度增加，炸药的强度增大，使得其在同一个应变下的应力增加。

4)结合浇注PBX炸药的微观和宏观损伤模式发现，冲击压缩时，界面脱黏和晶粒破碎两种损伤模式并存，应变率越高，晶粒破碎的作用越明显。